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  • 8/19/2019 05_Solucao

    1/23

    Química de Polímeros

    Prof a. Dr a. Carla Dalmolin

    [email protected]  

    Polímeros em Solução

    mailto:[email protected]:[email protected]

  • 8/19/2019 05_Solucao

    2/23

    Polímeros em Solução Indústria de tintas / vernizes / adesivos Formulação e controle de qualidade Baixo custo Escolha do solvente

    Obtenção de soluções estáveis Sem alteração de viscosidade com o tempo de

    estocagem

    Processamento

    Importância da massa molar média Uso da solubilização para fracionamento e análise das

    cadeias poliméricas

  • 8/19/2019 05_Solucao

    3/23

    A Cadeia Polimérica em SoluçãoConformação de cadeia: Arranjo geométrico espacial dos átomos que formam a

    cadeia Ocorre através da rotação em torno da ligação C - C

    Mesmo com a restrição de manter aconstante o comprimento e oângulo de ligação, cadeias

    poliméricas podem apresentarinúmeras conformações diferentes

  • 8/19/2019 05_Solucao

    4/23

    É a mais estável em solução

    O volume hidrodinâmico da cadeia aumenta quanto maior for ainteração entre a cadeia e o solvente

    A quantificação do volume hidrodinâmico é feita pela estimativa dadistância entre duas pontas de cadeia

    Média quadrática das distâncias entre as pontas de cadeia

    Conformação Enrodilhada

    21

    2r r  

    Calculado atravésde modelos

    teóricos

  • 8/19/2019 05_Solucao

    5/23

    Cadeia Livremente Ligada Modelo mais simples

    Assume que a cadeia é formada por uma sequência debarras com comprimento fixo (l) ligadas pelas pontas Movimento Browniano ou “andar de bêbado” 

      nr    121

    2 n = número de “passos” com comprimento l

     Modelo bidimensional Não considera interações entre a cadeia Permite o cruzamento de segmentos dacadeia, gerando uma conformação maisfechada que a real

  • 8/19/2019 05_Solucao

    6/23

    O ângulo de ligação é fixo, aumentando a restrição demovimento Aumenta o valor da distância média quadrática

    Rotação Tetraédrica Livre

      nr    121

    2

      nr    212

    1

    2

  • 8/19/2019 05_Solucao

    7/23

    Tetraédrica com Movimento Restrito Considera efeitos de repulsão

    Define-se um ângulo de rotação da cadeia () Ângulo que o próximo átomo de C faz com relação ao plano formado

    pelos 3 átomos de C anteriores

    Distância de ligação (l) = 1,54 ÅÂngulo de ligação () = 109°Ângilo de rotação () = 0° configuração zig zag planar

    = 180 ° configuração fechada

      2

    1

    21

    2

    cos1

    cos1

    cos1

    cos11  

      

      

      

      

     

     

     

     nr 

  • 8/19/2019 05_Solucao

    8/23

    Razão Característica e Fator deExpansão

    Procedimentos utilizados para avaliar quão próximos à realidade

    estão os cálculos da distância média quadrática

    Razão Característica Razão entre a dimensão da cadeia não perturbada (Não solvatada) e a

    dimensão da cadeia segundo o modelo de cadeias livremente ligadas

    Fator de Expansão

    Exprime quanto a distância média quadrática real está distante quandocomparada à condição não solvatada

    nl 

    nl 

    r C 

    2

    2

    0

    22

    12

    0

     

     

     

     

    Dimensão da cadeia não solvatada

    Distância média entre as pontas decadeia no modelo livremente ligadas

     

    2

    1

    2

    0

    2

    1

    2

    r  

    Distância média quadrática real

    Distância média quadrática da cadeia não

    solvatada

  • 8/19/2019 05_Solucao

    9/23

    Condição   Condição de temperatura em que as cadeias do polímero em

    solução com massa molar infinita estão na iminência daprecipitação Na Temperatura : volume hidrodinâmico mínimo

    Acima da Temperatura : solução verdadeiramente estável

    Abaixo da Temperatura : precipitação de cadeias poliméricas

    Condição instável, onde a cadeia polimérica em solução ocupa omenor volume hidrodinâmico, estando na iminência da precipitação

    θ 

    r 0

    Precipitação Solução Verdadeira

    T

    r

    C∞  α 

      nr    12

    1

    2   1 2n   r 02( )

    1

    2 r 2( )1

    2

  • 8/19/2019 05_Solucao

    10/23

    Determinada experimentalmente por Turbidimetria O polímero é dissolvido num solvente pobre, sob aquecimento e

    agitação

    Após a solubilização a temperatura é diminuída até o início daprecipitação : Ponto de névoa ou Temperatura crítica (Tc)

    Condição  

    Polímero Condição

    Solvente Temperatura (°C)

    Poli-isobutileno Anisol 105Benzeno 24

    PoliestirenoCiclohexano 34

    Tolueno/metanol 5/9 26,2

    Trans-decalina 20,5

     M b

    T c21

    11    

     2 = fração volumétrica do polímeroM = massa molar do polímero

  • 8/19/2019 05_Solucao

    11/23

    Determinação do Ponto   Fracionamento por massa molar

    Determinação da massa molar média de cada fração Cada fração é considerada isomolecular

    Determinação da Tc por turbidimetria para cada fração

     M b

    T c

    2111    

       M T c

    11

    C  K    o2830110.32,31   3     

  • 8/19/2019 05_Solucao

    12/23

    Exemplo Determinou-se as temperaturas críticas de uma amostra de PS com

    massa molar 8,9.104 em ciclohexano, em várias concentraçõesvolumétricas, como apresentado na tabela abaixo. Determinar a temperatura  de PS em ciclohexano

     M bT c

    2111    

       2

    cT 

    C  K    o7,319,30410.28,31   3     

  • 8/19/2019 05_Solucao

    13/23

    Teoria do Volume Excluído Uma molécula em solução tende a excluir todas as outras do

    volume que ela ocupa

       = volume excluído

    O volume excluído é uma função da temperatura

    Condição : volume excluído é zero Uma molécula não sente a presença da outra

    Par solvente / temperatura

    Quando T < :  < 0 (volume excluído negativo): colapso da estrutura

    novelar e precipitação do polímero

    Molécula 1 Molécula 2

    0;1    

      

           

        T T 

  • 8/19/2019 05_Solucao

    14/23

    1o Estágio: Inchamento

    Difusão das moléculas do solvente para dentro da massa polimérica,formando um gel

    2o Estágio: Solubilização A entrada de mais solvente leva à desintegração do gel e formação de

    uma solução verdadeira

    Solubilização de um Polímero

    Polímerosólido

    Solvente

    GelInchado SoluçãoVerdadeira

    Alta densidade de ligações cruzadas, pouca interação entre o solvente e acadeia polimérica, presença de cristalinidade e ligação de hidrogênioprejudicam a solubilidade.

  • 8/19/2019 05_Solucao

    15/23

    Semelhança química e estrutural entre o polímero e osolvente

    A solubilidade aumenta com a temperatura

    A solubilidade de um polímero de baixa massa molar émaior que do mesmo polímero com cadeias de altamassa molar

    Polímeros termoplásticos cristalinos apresentamsolubilidade somente a temperaturas próximas àtemperatura de fusão cristalina (Tm)

    Solubilização de um Polímero

  • 8/19/2019 05_Solucao

    16/23

    Energia Coesiva Energia necessária para remover uma molécula de seu

    meio e levá-la para longe da sua vizinhança Líquidos: relacionada a vaporização Sólidos: relacionada a sublimação

    Polímeros: neste caso, o conceito de separação de uma

    cadeia de suas vizinhanças é associado à solubilização dopolímero

    3/ cmcal V  H  DEC    Densidade deEnergia Coesiva

  • 8/19/2019 05_Solucao

    17/23

    Energia Coesiva

    Elastômeros (borrachas) Cadeias flexíveis, resposta rápida a solicitações mecânicas Forças intermoleculares fracas: DEC < 81 cal/cm3

    Termoplásticos (plásticos) Cadeias com maior rigidez, presença de grupos laterais Forças intermoleculares intermediárias: 81 < DEC < 100

    Fibras

    Cadeias orientadas numa direção específica, presença degrupos polares no mero Forças intermoleculares fortes: DEC > 100 cal/cm3 

  • 8/19/2019 05_Solucao

    18/23

    Parâmetro de Solubilidade Para ocorrer a solubilidade:

    0

    G

    S T  H G

    Como a entropia sempre aumenta neste processo, a variação

    de entalpia deve ser a menor possível para ocorrer asolubilização

      DEC  H              ;22121

    Para que haja solubilização, a diferença (em módulo) entre oparâmetro de solubilidade do polímero e do solvente |δ1-δ2|deve ser a menor possível

    Parâmetro de Solubilidade

    21

    321

    21   )/(7,1   cmcal 

      

  • 8/19/2019 05_Solucao

    19/23

    O parâmetro de solubilidade (δ) é formado pelo

    somatório de várias forças presentes na molécula: Forças de dispersão (δd) Forças de hidrogênio (δh) Interações dipolo-dipolo (δp)

    Parâmetro de SolubilidadeGeneralizado

    222

     phd          

    Para que um líquido com coordenadas (δd,δh, eδp)possa solubilizar o polímero da figura, é preciso quesuas coordenadas estejam dentro do círculo de

    volume de solubilidade

  • 8/19/2019 05_Solucao

    20/23

    É proporcional à fração volumétrica dos integrantes:

    Parâmetro de Solubilidade de umaMistura de Líquidos (tiner)

    222 )()()(   m pm

    h

    m

    m      

     K d d d m

    d      ...3,32,21,1          

     K hhhm

    h     ...3,32,21,1          

     K  p p pm p     ...3,32,21,1          

    O tiner pode ser formulado para que cada coordenada do solventecoincida com o volume de solubilidade do polímero

    δd ≈ 7,3 –  8,3

    A esfera de solubilidade pode ser simplificada para um círculo(bidimensional) numa representação de δp vs. δh 

  • 8/19/2019 05_Solucao

    21/23

    Círculo de Solubilidade Os solventes A, B e C não são solventes para o polímero

    A mistura AB pode gerar um tiner capaz de dissolver o polímero Ex.: mistura representada pelo ponto D

    A adição de C na mistura AB pode gerar um tiner com capacidadede solubilização, desde que o ponto com sua composição caiadentro do círculo

  • 8/19/2019 05_Solucao

    22/23

    Formulações comerciais:

    Círculo de Solubilidade

  • 8/19/2019 05_Solucao

    23/23

    Fracionamento em Polímeros Separação de faixas estreitas de massa molar (frações) em polímeros

    que apresentam uma larga distribuição de massa molar

    A separação é feita a partir da diferença de solubilidade de cadeiascom diferentes tamanhos em um mesmo solvente O fracionamento ocorre a partir da precipitação de cadeias menos

    solúveis por meio da instabilização da solução polimérica Adição de um não-solvente

    Evaporação do solvente

    Alteração da temperatura